CN110824236A - 一种单相电能质量分析仪输入前端 - Google Patents

一种单相电能质量分析仪输入前端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单相电能质量分析仪输入前端,包括万用表集成芯片、霍尔传感器、差分运放模块、用于外接测量配件的电压测量端子和电流测量端子,所述电压测量端子连接所述万用表集成芯片的分压网络,所述分压网络的输出分两路,一路连接万用表集成芯片内的A/D转换模块,然后将测量结果发送至分析仪后端的CPU,另一路连接分析仪后端的A/D转换器,所述A/D转换器连接所述CPU;所述电流测量端子上串联一电流走线,所述电流走线穿过所述霍尔传感器,所述霍尔传感器连接所述差分运放模块,所述差分运放模块的输出分两路,一路连接所述A/D转换器,另一路连接所述万用表集成芯片。本发明集成度高、体积小、精度高、宽测量量程。

Description

一种单相电能质量分析仪输入前端
技术领域
本发明涉及一种单相电能质量分析仪输入前端,属于测量仪表领域。
背景技术
单相电能质量分析仪可以对单相交流电源进行电能质量分析,包括电压、电流、功率、电能(功率*时间)进行测量,对电压、电流波形的失真度以及谐波进行分析,对浪涌、骤升骤降、瞬变进行记录,对现场的电能表进行校对,是一种集多种功能于一体的集成式便携仪表。单相电能质量分析仪的输入前端用于采集测量信号,然后将采集信号的信号传给后端,后端一般包括CPU、A/D转换器、显示屏、用于人机交互的输入模块等,操作员通过输入模块对分析仪进行设置,CPU根据操作员的设置发出控制指令,例如,设置输入前端的测量的参数(参数包括电阻、电压、电流、电容、二极管压降等),A/D转换器将输入前端采集的模拟信号转换成数字信号,再发送至CPU进行信号处理,完成电能质量分析并通过显示屏显示结果。
但是,现有的单相电能质量分析仪的输入前端一般都采用分立设计,存在器件多、集成度小以及器件体积大等不足,例如,通过互感器电路采集电流信号,这就导致仪表输入前端存在体积大、稳定性低、精度难提升等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种单相电能质量分析仪输入前端,其不仅体积小、易携带、集成度高、功能强大,还具备更高的稳定性和精度以及更宽的电压、电流测量量程。
本发明技术方案如下:
一种单相电能质量分析仪输入前端,包括万用表集成芯片、霍尔传感器、差分运放模块、用于外接测量配件的电压测量端子和电流测量端子,所述电压测量端子连接所述万用表集成芯片的分压网络,所述分压网络的输出分两路,一路连接万用表集成芯片内的A/D转换模块进行模数转换,然后将测量结果发送至分析仪后端的CPU,另一路连接分析仪后端的A/D转换器,所述A/D转换器连接所述CPU;所述电流测量端子上串联一电流走线,所述电流走线穿过所述霍尔传感器,所述霍尔传感器连接所述差分运放模块,所述差分运放模块的输出分两路,一路连接所述A/D转换器,通过所述A/D转换器模数转换后输入所述CPU,另一路连接所述万用表集成芯片,通过所述万用表集成芯片模数转换后输入所述CPU。
更优地,所述分析仪输入前端还包括用于外接钳表的钳表连接端子,所述钳表连接端子连接所述A/D转换器,所述A/D转换器将来自钳表采集的信号进行模数转换后输入所述CPU。
更优地,所述万用表集成芯片通过一放大电路连接所述A/D转换器,所述万用表集成芯片输出的信号通过所述放大电路调整幅值后,使该信号的电压值在所述A/D转换器的识别电压范围内。
更优地,所述差分运放模块为差分仪表运放模块。
更优地,所述霍尔传感器为闭环霍尔传感器,所述电流走线从霍尔传感器的孔中穿过。
更优地,所述钳表连接端子通过一钳表电压跟随电路连接所述A/D转换器,所述钳表采集的信号通过钳表连接端子输入所述钳表电压跟随电路,通过所述钳表电压跟随电路隔离输入输出、调整信号幅值后输入所述A/D转换器,由A/D转换器进行模数转换后输入所述CPU。
本发明具有如下有益效果:
1、本发明一种单相电能质量分析仪输入前端采用万用表集成芯片,具备了自动量程转换、自保护功能,满足了分析仪快速测量、高精度测量、宽量程测量的需求,提高分析仪表的稳定性和可靠性。
2、本发明一种单相电能质量分析仪输入前端采用闭环霍尔传感器,减小体积的同时保证测量精度,同时结合万用表集成芯片,实现了分析仪电流信号的快速测量和高精度测量。
3、本发明一种单相电能质量分析仪输入前端采用两种电流输入方式——闭环霍尔传感器和钳表,满足电流的高精度测量和宽量程测量要求。
附图说明
图1为本发明的连接框图;
图2为本发明的实施例一的较优实施方式的连接框图;
图3为本发明的实施例一的较优实施方式的原理框图;
图4为本发明的万用表集成芯片原理图;
图5为本发明的电压放大电路示意图;
图6为本发明的闭环霍尔传感器示意图;
图7为本发明的差分运放模块示意图;
图8为本发明的钳表电压跟随电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
请参阅图1,一种单相电能质量分析仪输入前端,包括万用表集成芯片1、霍尔传感器2、差分运放模块3、用于外接测量配件的电压测量端子4和电流测量端子5。一般的,所述测量配件选用表笔,所述电压测量端子4由一组正端子和负端子组成,所述电流测量端子5由另一组正端子和负端子组成。所述电压测量端子4连接所述万用表集成芯片1的分压网络,所述分压网络是万用表集成芯片1的外围电路,用以实现电压的分档测量。所述分压网络的输出分两路,一路连接万用表集成芯片1内的A/D转换模块(未图示)进行模数转换,然后将测量结果发送至分析仪后端的CPU,另一路连接分析仪后端的A/D转换器6,所述A/D转换器6连接所述CPU。所述电流测量端子5上串联一电流走线7,即所述电流走线7串联在电流测量端子5的正端子和负端子之间。所述电流走线7穿过所述霍尔传感器2。所述霍尔传感器2连接所述差分运放模块3,由于电流走线7是通过表笔直接串联至被测电路中,因此,通过差分运放模块3进行测量信号电平的平移,使测得的信号与其他端子测得的信号有共同的基准电压。所述差分运放模块3的输出分两路,一路连接所述A/D转换器6,通过所述A/D转换器6模数转换后输入所述CPU,另一路连接所述万用表集成芯片1,通过所述万用表集成芯片1模数转换后输入所述CPU。
请参阅图3和图6,较优地,所述霍尔传感器2选用闭环霍尔传感器,可以将闭环霍尔传感器安装在印刷电路板上,所述电流走线7从霍尔传感器2的孔中穿过。采用闭环霍尔电流传感器进行电流信号采集,具有低电流损耗、小体积以及隔离外部电路等优点。
所述差分运放模块3可以选用差分仪表运放模块,采用差分仪表运放模块可以进一步减小分析仪输入前端体积,提高分析仪输入前端的集成度和精度。
请参阅图2、图3和图5,当所述万用表集成芯片1输出的信号幅值不在所述A/D转换器6的输入电压识别范围内时,在万用表集成芯片1与A/D转换器6之间接入一放大电路8,所述万用表集成芯片1输出的信号通过所述放大电路8调整幅值后,使该信号的电压值在所述A/D转换器6的识别电压范围内。
请参阅图3和图4,以采用型号为FS9721LP3的万用表集成芯片1为例,通过CPU的通用IO口,对万用表集成芯片1进行控制(万用表集成芯片1的控制引脚在其数据手册中均有详细说明),同时,万用表集成芯片1把来自电压测量端子4和电流测量端子5的测量信号通过串口(PIN37、38、39、40)发送至CPU,由于万用表集成芯片1的集成度高,内部处理速度快,因此,CPU可以快速获取当前测量值,以便及时处理异常信号。例如,测量信号通过PTC1、R12-R15和R29-R32组成的分压网络进行衰减后,通过万用表集成芯片1内的A/D转换模块进行模数转换后发送至CPU,CPU通过获取的电压测量值进行实时监控,快速切档,万用表集成芯片1的分压网络可以把输入电压分为1000V、400V、40V、4V四档,实现分析仪的宽量程测量。再者,经过分压网络衰减的信号还通过万用表集成芯片1的PIN98输入A/D转换器6,由于外置的A/D转换器6可以选用更高精度转换器,因此,通过A/D转换器6将衰减后的信号数字化,实现对宽量程的电压信号进行高精度的测量,保证各量程的测量精度。
请参阅图6和图7,所述霍尔传感器2以采用HCS-ES3-10A闭环霍尔传感器2为例,将红黑表笔分别连接电流测量端子5的正极和负极,再将分析仪串联至被测电流中,这种直测方式测得的结果精度更高。外部电流流经所述电流走线7时在霍尔传感器2模块处产生的磁场变化被霍尔传感器2转化成相应的电压信号,很好地保证了信号的转换精度。该电压信号通过差分运放电路进行信号平移后生成可被所述A/D转换器6接受的相同基准电压的小信号,该小信号的输出一路直接发送至A/D转换器6(如图7中Iout连接A/D转换器6的Iout端),另一路输入万用表集成芯片1(如图7中的SA连接万用表集成芯片1的SA引脚)。通过霍尔传感器2采集到的测量信号通过万用表集成芯片1处理后直接发送至CPU,同样具备快速获取当前测量值,以便及时处理异常信号等优点。通过霍尔传感器2采集到的测量信号同样也送入A/D转换器6进行模数转换,提高分析仪的测量精度。
综上,本实施例中,将万用表集成芯片1嵌入单相电能质量分析仪中,通过万用表集成芯片1自带的功能,即可使单相电能质量分析仪完成电压自适应衰减、自保护功能,同时具备测量电压、电流、电阻、二极管压降以及电容的功能,同时,将万用表集成芯片1结合霍尔传感器2,实现交流电流的高精度测量。因此,本发明单相电能质量分析仪输入前端在实现自适应衰减、高速测量、自保护功能,多参数测量功能、高精度的同时,还具备小体积、高集成度、高稳定性的优点。
实施例二
本实施例中,在实施例一的基础上,增加了钳表采集电流的方式,具体如下:
请参阅图2和图3,所述分析仪的输入前端还包括用于外接钳表的钳表连接端子9,所述钳表连接端子9连接所述A/D转换器6,所述A/D转换器6将来自钳表采集的信号进行模数转换后输入所述CPU。
所述钳表连接端子9可以连接不同量程的钳表,满足了电流的宽量程测量要求。
更优地,所述钳表连接端子9通过一钳表电压跟随电路10连接所述A/D转换器6,所述钳表采集的信号通过钳表连接端子9输入所述钳表电压跟随电路10,通过所述钳表电压跟随电路10隔离输入输出、调整信号幅值后输入所述A/D转换器6,由A/D转换器6进行模数转换后输入所述CPU。如图8所示,通过电压跟随器U3,把钳表的输入与后续电路隔离,电阻R73把浮空电压接地,避免输入浮空造成的输出高电压,避免外接钳表错误造成高压损坏分析仪。同时,由于不同量程的钳表输出的电流幅值存在差异,通过钳表电压跟随电路10放大小信号,确保测量精度。
本发明一种单相电能质量分析仪输入前端,把单相的电压和电流转换成相同基准电压的线性比例关系的能够A/D转换器6接收的小电压信号,分两组同时输入A/D转换器6,完成高精度的模数转换,与此同时,测量信号通过万用表集成芯片1的串口发送测量信号至CPU,快速获取当前测量值,能够及时发现异常信号,对仪表进行保护。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种单相电能质量分析仪输入前端,其特征在于:包括万用表集成芯片(1)、霍尔传感器(2)、差分运放模块(3)、用于外接测量配件的电压测量端子(4)和电流测量端子(5),所述电压测量端子(4)连接所述万用表集成芯片(1)的分压网络,所述分压网络的输出分两路,一路连接万用表集成芯片(1)内的A/D转换模块进行模数转换,然后将测量结果发送至分析仪后端的CPU,另一路连接分析仪后端的A/D转换器(6),所述A/D转换器(6)连接所述CPU;所述电流测量端子(5)上串联一电流走线(7),所述电流走线(7)穿过所述霍尔传感器(2),所述霍尔传感器(2)连接所述差分运放模块(3),所述差分运放模块(3)的输出分两路,一路连接所述A/D转换器(6),通过所述A/D转换器(6)模数转换后输入所述CPU,另一路连接所述万用表集成芯片(1),通过所述万用表集成芯片(1)模数转换后输入所述CPU。
2.根据权利要求1所述一种单相电能质量分析仪输入前端,其特征在于:还包括用于外接钳表的钳表连接端子(9),所述钳表连接端子(9)连接所述A/D转换器(6),所述A/D转换器(6)将来自钳表采集的信号进行模数转换后输入所述CPU。
3.根据权利要求1所述一种单相电能质量分析仪输入前端,其特征在于:所述万用表集成芯片(1)通过一放大电路(8)连接所述A/D转换器(6),所述万用表集成芯片(1)输出的信号通过所述放大电路(8)调整幅值后,使该信号的电压值在所述A/D转换器(6)的识别电压范围内。
4.根据权利要求1所述一种单相电能质量分析仪输入前端,其特征在于:所述差分运放模块(3)为差分仪表运放模块。
5.根据权利要求1所述一种单相电能质量分析仪输入前端,其特征在于:所述霍尔传感器(2)为闭环霍尔传感器,所述电流走线(7)从霍尔传感器(2)的孔中穿过。
6.根据权利要求1所述一种单相电能质量分析仪输入前端,其特征在于:所述钳表连接端子(9)通过一钳表电压跟随电路(10)连接所述A/D转换器(6),所述钳表采集的信号通过钳表连接端子(9)输入所述钳表电压跟随电路(10),通过所述钳表电压跟随电路(10)隔离输入输出、调整信号幅值后输入所述A/D转换器(6),由A/D转换器(6)进行模数转换后输入所述CPU。
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